电子测量技术第三章课件

1、第3章频率时间测量3.1 概述3.2 电子计数法测量频率3.3 电子计数法测量周期3.4 电子计数法测量时间间隔3.5 减小计数器1误差的方法3.6 模拟法测频思考与练习3-1概述一、时间和频率的定义1、时间有两个含义：“时刻”：即某个事件何时发生；“时间间隔”：即某个时间相对于某一时刻持续了多久。2、频率的定义：周期信号在单位时间（1s）内的变化次数（周期数）。如果在一定时间间隔T内周期信号重复变化了N次，则频率可表达为：fN/T3、时间与频率的关系：可以互相转换。1、天文时标（1）世界时（UT,Universal Time）:以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(246060)=1/8

2、6400为1秒。其误差约为107量级。为世界时确定时间观测的参考点，得到：平太阳时零类世界时（UT0 ）第一类世界时（UT1）第二类世界时（UT2）（2）历书时（ET） 以地球绕太阳公转为标准，即公转周期（1年）的31 556 925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达1109于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。二、时间与频率标准天文时标的不足设备庞大、操作麻烦；观测时间长；准确度有限（2）原子时标的定义1967年10月，第13届国际计量大会正式通过了秒的新定义：“秒是Cs133原子基态的两个超精细结构能级之间跃迁频率相应的射线束

3、持续9 192 631 770个周期的时间”。 1972年起实行2、原子时标（TAI）（1）理论基础：量子电子学hfn-m=En-Emh=6.625210-27为普朗克常数En、Em为受激态的两个能级fn-m为吸收或辐射的电磁波频率电子计数器内部时间、频率基准采用石英晶体振荡器（简称“晶振”）为基准信号源。基于压电效应产生稳定的频率输出。但是晶振频率易受温度影响（其频率-温度特性曲线有拐点，在拐点处最平坦），普通晶体频率准确度为10-5。采用温度补偿或恒温措施（恒定在拐点处的温度）可得到高稳定、高准确的频率输出。电子计数器内部时间、频率基准差频法拍频法示波法电桥法谐振法比较法直读法李沙育图形法

4、测周期法模拟法频率测量方法数字法电容充放电法电子计数器法三、频率的测量方法多功能计数器函数发生器/计数器频率计通用电子计数器的组成框图：通用计数器包括如下几个部分输入通道：通常有A、B、C多个通道，以实现不同的测量功能。输入通道电路对输入信号进行放大、整形等（但保持频率不变），得到适合计数的脉冲信号。门控电路：完成计数的闸门控制作用。计数与显示电路：计数电路是通用计数器的核心电路，完成脉冲计数；显示电路将计数结果（反映测量结果）以数字方式显示出来时基产生电路：产生机内时间、频率测量的基准，即时间测量的时标和频率测量的闸门信号。控制电路：控制协调整机工作，即准备测量显示。例如：闸门时间Ts=1s

5、，若计数值N=10000，则显示fx为？如闸门时间Ts=0.1s，则计数值N=1000，则显示fx为？“10000”Hz“10.00”kHz显示结果的有效数字末位的意义？它表示了频率测量的分辨力（应等于时基频率fs ）。二、误差分析由误差传递公式：两个因素：数字化仪器特有的误差闸门时间的相对误差1、基本误差（1）、误差：取决于闸门开启时刻与第一个计数脉冲的时间关系可知：提高被测信号的频率，或增大主门开启时间，都可降低量化误差的影响如图，对同一被测信号，在相同的闸门时间内，计数结果不同。量化误差相当于计数值N的“1”个字。 是随机的，它们服从均匀分布，其差值 则服从三角分布。N1（2）、标准频率

6、误差闸门T的准确度决定于石英振荡器提供频率的准确度（注意负号的意义）（3）、结论：a、fx愈大则误差愈小，b、闸门时间愈大误差也愈小c、测频误差以标准频率误差为极限（P106，3-6）解：不能用三、测量频率范围的扩大通用电子计数器受内部计数器等电路的工作速度的限制，对输入信号直接计数存在最高计数频率的限制。对于几十GHz的微波计数器，主要采用外差法和置换法将输入微波频率信号变换成可直接计数的中频。图3-4 外差法扩频测量原理框图例如：若fx=1234.567890MHz，标准频率fc=100MHz。则谐波滤波器应调谐在N=12次谐波上，即Nfc=1200MHz，高位直接显示“12”。计数器再对

7、差频信号fA=fx -fL=34 .567890MHz计数最后显示为“12 34.567890”MHz。外差法特点：谐波Nfc幅度低，灵敏度低，但分辨力高。Tx内脉冲数例如：时标TS=1us，若计数值N=10000，则显示的Tx为 或如时标TS=10us，则计数值N=1000，显示的Tx为请注意：显示结果的有效数字末位的意义“10000”us“10.000”ms“10.00”ms表示了周期测量的分辨力（应等于时标T0 ）（1）、Tx增大，误差减小（2）、有限，使也有最小值二、误差分析1、基本误差例如， 某计数式频率计， |fc|/fc=210-7，在测量周期时， 取Tc1 s，则当Tx1 s时

8、当Tx1 ms(fx1000 Hz)时， 测量误差为当Tx10s(fx100 kHz)时2、触发误差的影响周期测量时，尖峰脉冲的干扰对测量结果的影响非常严重。如图，测量误差为：设输入为正弦波：干扰幅度：Vn无干扰：有干扰：下一个10TxT1T210TxTx1Tx10T2TxA1A1VnA2A2A9A9A10A10措施：提高信噪比，以及多周期测量法多周期测量法原理：使相邻周期的 相互抵消例如：由10个周期构成闸门时间“周期倍乘”可选择周期数结论：（1）误差组成：量化误差、转换误差、标准频率误差（2）多周期测量提高了测量准确度（3）选用小的时标可提高测周分辨力（4）应尽可能提高信噪比误差表达式：m为周期倍乘数三、中界频率测频时，被测频率fx愈低，则量化误差愈大测周时，被测频率fx愈高，则量化误差愈大可见，